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Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von Verunreinigungen aus Flüssigkeiten, kolloidalen Lösungen, Emulsionen und ähnlichen Dispersionen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von Verunreinigungen aus kolloidalen Lösungen, Emulsionen und ähnlichen Dispersionen durch Filtration.
Bei der üblichen technischen Filtration wird das Filtermaterial derart gewählt, dass die Poren bedeutend kleiner sind als die Teilchen der Verunreinigungen, so dass dieselben auf das Filter zurückgehalten werden.
Bei solchen Flüssigkeiten, welche neben den Kolloiden, emulgierten oder suspendierten Teilchen, welche im Filtrat zurückgefunden werden sollen, auch Fremdstoffe von ungefähr übereinstimmender Grössenordnung enthalten, ist eine schnelle und vollkommene Reinigung mittels oben beschriebener Filtration im allgemeinen nicht durchführbar. Sind die Poren des Filtermaterials von der Grössenordnung der dispergierten Teichen. so werden zwar die Fremdstoffe aus der Flüssigkeit abgeschieden, die dispergierten Teilchen werden jedoch teilweise auch zurückgehalten und das Filtermaterial verstopft sich alsbald. Bei einer grösseren Bemessung der Poren, wobei immer noch Gefahr für Verstopfung droht, gehen die Fremdstoffe zusammen mit den dispergierten Teilchen in das Filtrat über.
Die Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren, das im Gegensatz zu der oben erwähnten tech- nischen"Filtration in der Beschreibung als"physikalisehe"Filtration bezeichnet wird und beruht auf der überraschenden Beobachtung, dass es möglich ist, kolloidale Lösungen, Emulsionen und Suspensionen unter bestimmten. näher anzugebenden Bedingungen restlos durch eine dünne Schicht Filtermaterial, dessen Poren oder Maschen im Durchschnitt grösser als die Abmessungen der Verunreinigungen sind, unter nahezu vollkommener Abscheidung der Fremdstoffe hindurchzuführen.
Grundsätzlich kommen zwei Hauptbedingungen bei der Ausführung des Verfahrens in Betracht, und zwar :
1. die zu reinigende Flüssigkeit ist auf ruhige Weise durch die Filteroberfläche und entlang dieser Oberfläche zu führen ;
2. die Maschinenweite des Filtermaterials ist dem Dispersitätsgrade der im Filtrat erwünschten Teilchen anzupassen.
Eine Verbesserung kann noch erzielt werden durch die Verwendung von möglichst viel-und feinfaserigem Material, doch ist dies keine Hauptbedingung ; obgleich Filterstoff dieser Art bevorzugt wird, können andere Stoffe, beispielsweise durehloehtes Metall oder feines Drahtnetzgewebe, ebenfalls Verwendung finden.
Der oben erwähnte Unterschied im Verhalten der dispersen Teilchen einerseits und der Fremdstoffe anderseits ist wahrscheinlich auf Oberflächenwirkung und Absorption zurückzuführen.
Der Verlauf einer Filtration nach der Erfindung ist nun folgender :
Vor Beginn der Filtration hat man festzustellen, welche Kolloide und gegebenenfalls welche grösseren Gebilde durch das Filtermaterial durchgelassen werden sollen. Bei Milch z. B. sollen nicht nur die rein kolloiden Eiweissstoffe, sondern auch die Fettkügelchen, welche einen Durchmesser von 1 bis 20 besitzen, in das Filtrat hinübergehen. In diesem Falle wählt man vorzugsweise eine Maschenweite von etwa 200 im Filtermaterial. Sobald die Flüssigkeit in das Filtriergefäss geleitet wird, bildet sich sofort entweder aus den Kolloiden oder aus Aggregaten derselben eventuell in kongulierter Form ein
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Niederschlag auf dem Filterstoff.
Je nach der Feinheit und der Zahl der freiliegenden Elementarfasern wird sich die Oberfläche dieser Filtrierschicht schneller entwickeln.
Lässt man nun, gemäss der Erfindung, die zu filtrierende Flüssigkeit dermassen ruhig durch das Filtermaterial hindurchgehen, dass diese Filtrierschicht nicht zerstört wird (z. B. für Milch mit einer Geschwindigkeit von höchstens etwa 1-8 m pro Stunde), so werden nicht nur Fremdstoffe (Schlamm), sondern auch ein grösserer oder geringerer Teil etwa vorhandener Bakterienkolonien, welche in Form von Schnüren (Streptokokken) auftreten, mit der ihnen anhaftenden schleimigen Masse auf den Fasern niedergeschlagen, während die kolloiden Teilchen und auch grössere Gebilde, wie z. B. die oberwähnten Fettkügelchen der Milch, hindurchgehen.
Es ist klar, dass man bei dem weiteren Verlauf der Filtration dafür Sorge zu tragen hat, dass die beschriebene Filtrierschicht nicht zerstört wird. Eine fortgesetzt ruhige Bewegung der zu reinigenden Flüssigkeit durch die Filteroberfläche mit einer linearen Geschwindigkeit, welche geringer ist als etwa 1-8 m pro Stunde, und entlang dieser Oberfläche mit einer 18 m pro Stunde nicht übersteigenden Geschwindigkeit ist somit erforderlich.
Die zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen sind verschiedenen Bedingungen anzupassen, welche bei den gewöhnlichen Filtrierapparaten in der Regel nicht erfüllt werden.
Die Hauptbedingung, welcher die Apparate nach der Erfindung genügen sollen, ist, dass das zu filtrierende Material den Filterelementen in sehr gleichmässiger und ruhiger Weise zugeführt werden kann ; ohne spezielle Massnahmen zur Verhütung, dass die Filterelemente von einem starken Flüssigkeitsstrome getroffen werden, ist eine Zufuhr von einem einzelnen Punkte aus zu vermeiden.
Diese Bedingung wird nun beispielsweise bei Filterpressen und Beutelfiltern der üblichen Form nicht erfüllt.
Es wird dieser Bedingung genügt, falls ein oder mehrere an sich bekannte Filterelemente in einem Teile eines Filtrierbehälters angeordnet werden, worin die zu filtrierende Flüssigkeit sich ruhig und langsam bewegen kann, indem noch in irgendeiner Weise dafür Sorge zu tragen ist, dass die Filterelemente sich fortwährend unter dem Flüssigkeitsspiegel befinden.
Konstruktiv ist dieses Prinzip in sehr mannigfaltiger Weise zu verwirkliehen. Grundsätzlich besteht ein Filtrierapparat, welcher den erwähnten Bedingungen genügt, aus einem Gefäss, in welchem vorgesehen sind ein Zufuhrraum, dem die zu filtrierende Flüssigkeit zugeführt wird, und ein Filterelementenraum, worin sich ein oder mehrere lot-oder waagrecht aufgestellte Filterelemente befinden, welche ausserhalb des Gefässes ausmünden, und zwar an der Oberseite oder an der Unterseite dieses Gefässes oder des Filterelementenraumes.
Zur Scheidung zwischen dem Zufuhrraum und dem Filterelementenraum kann eine Platte vorgesehen werden, welche die Verbindung zwischen beiden Räumen zum grössten Teile abschliesst. Diese Platte, welche Zonenplatte genannt wird, weil dieselbe eine Abscheidung zwischen der unruhigen Zufuhrzone und der ruhigen Filterelementenzone bildet, wird an einer von den Eigenschaften der zu filtrierenden Flüssigkeit bedingten Stelle angeordnet.
Des weiteren wird man bei der Konstruktion eines Apparates nach der Erfindung die totale Fil- trieroberfläche und den Totalumfang dieser Oberflächen zu bestimmen haben als Funktionen der die Strömungsenergie liefernden Druckdifferenz hinsichtlich der Viskosität und des Reibungskoeffizienten der zu filtrierenden Flüssigkeit und der Form und Grösse der Abfuhröffnungen der Filterelemente.
Zwecks übersichtlicher Zusammenfassung der verschiedenen beim Apparat in Betracht kommenden Grössen nennt man : A, den in Metern ausgedrückten Abstand zwischen je zwei Filterelementen (bzw. der doppelte Abstand zwischen Filterelement und Wand). V, die zulässige mittlere Geschwindigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit durch den Filterstoff in Metern pro Stunde. V, die zulässige Geschwindigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit entlang den Filterelementen in Metern pro Stunde. 0, die totale wirksame Oberfläche eines Filterelementes in Quadratmetern. L, der grösste Umfang eines Filterelementes in Metern.
Die Kapazität eines Filterelementes ist nun : OV = ALyi, woraus sich die Beziehung ergibt ;
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worin A also der zulässige Minimalabstand zwischen den Filterelementen ist. Ist beispielsweise für Milch V 1'8'in pro Stunde und V z 18 m pro Stunde, so findet man für das Verhältnis
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wodurch sich die Formel (1) vereinfacht zu
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Der gegenseitige Abstand, in welchem die Filterelemente voneinander angeordnet sind, wird derart gewählt,
dass bei einer Geschwindigkeit der Flüssigkeit von etwa 1'8 m pro Stunde durch die Filtrieroberfläche eine Zuströmungsgeschwindigkeit von 18 m pro Stunde entlang der Oberfläche der Filterelemente nicht überschritten wird.
In Fig. 4 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der zwei horizontale Filterelemente in einem an der Seitenwand von einer gesonderten Kammer 22 abgeschlossenen Behälter angeordnet sind. In diese Kammer 23 münden die mit den Filterelementen verbundenen Rohre 24 aus.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform fliesst die Milch oder eine andere zu reinigende Flüssigkeit in den Behälter 13 in gleichmässigem Strom. Dort kann es, namentlich für kleinere Anlagen, erwünscht sein, die Milch unmittelbar aus den Milchkannen zu giessen. Die Milch würde sich dann in heftigen Wirbeln um den Rand der vorspringenden Platte bewegen und sodann die Wirkung des Filters beeinträchtigen. Um dieser Störung vorzubeugen, kann die Einrichtung nach Fig. 2 in der in Fig. 5 abgeänderten Form verwendet werden. Eine Platte 18'entspricht der Platte 18 in Fig. 2 und ist an dem Rande mit einem aufrecht stehenden Rahmen 25 versehen, während sich in dem oberen Teile des Behälters ein Trichter 26 befindet.
Das Niveau der Milch in dem Behälter befindet sich oberhalb der Platte 18 und wird in dieser Lage gehalten, weil der obere Teil des mit dem Filterelement mittels der Mutter 29 abnehmbar verbundenen gekrümmten Ablaufrohres 27 sich über die Ebene der Platte 18'erhebt. Sowohl bei dieser Einrichtung wie bei der nach Fig. 2 können mehrere Filterelemente und gekrümmte Rohre 27 vorgesehen sein.
Der bei unterbrochenem Betrieb erwünschte Zweck, die Filterelemente und die Platte beständig untergetaucht zu halten, kann auch in anderer Weise, z. B. durch die Einrichtung nach Fig. 6, erreicht werden. Bei dieser Ausführungsform munden die Anströmröhre der Filterelemente in einem kleinen Seitenbehälter 17'mit Auslass 31 aus, dessen Überlauf sich oberhalb der Schutzplatte 18"befindet. Der Auslass 32 dient für Kontrollzwecke und ermöglicht die Regulierung jedes gesonderten Filterelementes.
Der Apparat nach Fig. 6 kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, mit einem Trichter 26 versehen sein, so dass die Flüssigkeit ohne weitere Vorsichtsmassregel in den Apparat gegossen werden kann.
Es sei noch bemerkt, dass bei dem Verfahren laut dieser Erfindung eine sehr hohen Anforderungen entsprechende Reinigung einer kolloiden Flüssigkeit wie Milch ohne Erwärmung der Flüssigkeit oder ohne irgendeine andere Vorbehandlung erreicht werden kann, im Gegensatz zu den bisher üblichen Verfahren und Vorrichtungen, bei welchen befriedigende Ergebnissehauptsächlichnurmitwarmer Milch, beispielsweise nach der Pasteurisation, erzielt werden konnten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Abscheidung von Verunreinigungen aus kolloidalen Lösungen, Emulsionen und ähnlichen Dispersionen, dadurch gekennzeichnet, dass man die FlÜssigkeit einer auf Adsorption beruhenden Filtration durch Filtermaterial, dessen Schichtdicke von der Grössenordnung von Millimetern ist, und
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unreinigungen unter durchgehender Dispersion durch Regelung des Verhältnisses der Geschwindigkeiten der durch das Filtermaterial und der entlang dem Filtermaterial strömenden Flüssigkeit erzielt wird.
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Process and device for the separation of impurities from liquids, colloidal solutions, emulsions and similar dispersions.
The invention relates to a method for separating impurities from colloidal solutions, emulsions and similar dispersions by filtration.
In the usual technical filtration, the filter material is chosen in such a way that the pores are significantly smaller than the particles of the impurities, so that they are retained on the filter.
In the case of liquids which, in addition to the colloids, emulsified or suspended particles that are to be found back in the filtrate, also contain foreign substances of approximately the same order of magnitude, rapid and complete cleaning by means of the filtration described above is generally not feasible. Are the pores of the filter material of the order of magnitude of the dispersed ponds. the foreign matter is separated from the liquid, but the dispersed particles are also partially retained and the filter material clogs immediately. If the pores are larger, and there is still a risk of clogging, the foreign substances pass over into the filtrate together with the dispersed particles.
The invention now relates to a method which, in contrast to the above-mentioned technical "filtration, is referred to in the description as" physical "filtration and is based on the surprising observation that it is possible to use colloidal solutions, emulsions and suspensions certain conditions to be specified in more detail through a thin layer of filter material, the pores or meshes of which are on average larger than the dimensions of the impurities, with almost complete separation of foreign matter.
Basically, two main conditions come into consideration when carrying out the procedure, namely:
1. The liquid to be cleaned is to be led in a calm manner through the filter surface and along this surface;
2. The machine width of the filter material must be adapted to the degree of dispersion of the particles desired in the filtrate.
An improvement can still be achieved by using as much and finely fibrous material as possible, but this is not a main requirement; Although this type of filter fabric is preferred, other fabrics such as perforated metal or fine wire mesh can also be used.
The above-mentioned difference in the behavior of the disperse particles on the one hand and the foreign matter on the other is probably due to surface effects and absorption.
The course of a filtration according to the invention is now as follows:
Before starting the filtration, it is necessary to determine which colloids and, if applicable, which larger structures are to be allowed to pass through the filter material. For milk z. B. not only the pure colloidal protein, but also the fat globules, which have a diameter of 1 to 20, go over into the filtrate. In this case, a mesh size of about 200 is preferably chosen in the filter material. As soon as the liquid is passed into the filter vessel, it immediately forms either from the colloids or from their aggregates, possibly in a congulated form
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Precipitation on the filter material.
Depending on the fineness and the number of exposed elementary fibers, the surface of this filter layer will develop more quickly.
If, according to the invention, the liquid to be filtered is allowed to pass through the filter material so calmly that this filter layer is not destroyed (e.g. for milk at a speed of at most about 1-8 m per hour), not only Foreign matter (sludge), but also a larger or smaller part of any bacterial colonies present, which occur in the form of strings (streptococci), with the slimy mass adhering to them, are deposited on the fibers, while the colloidal particles and larger structures, such as. B. the aforementioned fat globules of milk, go through.
It is clear that, as the filtration continues, care must be taken that the described filter layer is not destroyed. A continued quiet movement of the liquid to be cleaned through the filter surface at a linear speed which is less than about 1-8 m per hour, and along this surface at a speed not exceeding 18 m per hour, is thus necessary.
The devices suitable for carrying out the method described must be adapted to various conditions which are generally not met in conventional filter apparatus.
The main condition, which the apparatus according to the invention should meet, is that the material to be filtered can be fed to the filter elements in a very even and calm manner; Without special measures to prevent the filter elements from being hit by a strong stream of liquid, a supply from a single point should be avoided.
This condition is not met, for example, in filter presses and bag filters of the usual shape.
This condition is satisfied if one or more per se known filter elements are arranged in a part of a filter container, in which the liquid to be filtered can move calmly and slowly, while still having to ensure in some way that the filter elements move continuously are below the liquid level.
In terms of construction, this principle can be implemented in very diverse ways. Basically, a filtering apparatus which satisfies the conditions mentioned consists of a vessel in which a supply space is provided, to which the liquid to be filtered is supplied, and a filter element space, in which one or more vertically or horizontally positioned filter elements are located, which are outside the Open the vessel, namely on the top or bottom of this vessel or the filter element space.
To separate the supply space and the filter element space, a plate can be provided which closes the connection between the two spaces for the most part. This plate, which is called a zone plate, because it forms a separation between the turbulent feed zone and the quiet filter element zone, is arranged at a location determined by the properties of the liquid to be filtered.
Furthermore, when constructing an apparatus according to the invention, the total filtration surface and the total circumference of these surfaces will have to be determined as functions of the pressure difference supplying the flow energy with regard to the viscosity and the coefficient of friction of the liquid to be filtered and the shape and size of the discharge openings Filter elements.
For the purpose of a clear summary of the various parameters that can be considered for the apparatus, the following is called: A, the distance, expressed in meters, between two filter elements (or twice the distance between filter element and wall) V, the permissible mean speed of the liquid to be filtered through the filter material in meters per hour. V, the permissible speed of the liquid to be filtered along the filter elements in meters per hour. 0, the total effective surface of a filter element in square meters. L, the largest circumference of a filter element in meters.
The capacity of a filter element is now: OV = ALyi, from which the relationship results;
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where A is the minimum allowable distance between the filter elements. If, for example, for milk V is 1'8'in per hour and V z is 18 m per hour, the ratio is found
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whereby the formula (1) is simplified to
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The mutual distance at which the filter elements are arranged from one another is selected in such a way that
that at a speed of the liquid of about 1'8 m per hour through the filter surface, an inflow speed of 18 m per hour along the surface of the filter elements is not exceeded.
4 shows a device in which two horizontal filter elements are arranged in a container closed on the side wall by a separate chamber 22. The tubes 24 connected to the filter elements open into this chamber 23.
In the embodiment shown in FIG. 2, the milk or another liquid to be cleaned flows into the container 13 in a uniform flow. There it may be desirable, especially for smaller systems, to pour the milk directly from the milk cans. The milk would then move in violent eddies around the edge of the projecting plate and then impair the operation of the filter. In order to prevent this disturbance, the device according to FIG. 2 can be used in the form modified in FIG. A plate 18 ′ corresponds to the plate 18 in FIG. 2 and is provided on the edge with an upright frame 25, while a funnel 26 is located in the upper part of the container.
The level of the milk in the container is above the plate 18 and is kept in this position because the upper part of the curved drain pipe 27 detachably connected to the filter element by means of the nut 29 rises above the plane of the plate 18 '. A plurality of filter elements and curved tubes 27 can be provided both in this device and in that according to FIG.
The desired purpose during interrupted operation of keeping the filter elements and the plate permanently submerged can also be used in other ways, e.g. B. by the device of FIG. 6, can be achieved. In this embodiment, the inflow pipe of the filter elements opens into a small side container 17 'with outlet 31, the overflow of which is located above the protective plate 18 ". The outlet 32 is used for control purposes and enables each separate filter element to be regulated.
The apparatus according to FIG. 6, as shown in FIG. 5, can be provided with a funnel 26 so that the liquid can be poured into the apparatus without any further precautionary measures.
It should also be noted that with the method according to this invention a very high purification of a colloidal liquid such as milk can be achieved without heating the liquid or without any other pretreatment, in contrast to the methods and devices conventional up to now, in which satisfactory results mainly only warm Milk, for example after pasteurization, could be obtained.
PATENT CLAIMS:
1. A method for separating impurities from colloidal solutions, emulsions and similar dispersions, characterized in that the liquid of a filtration based on adsorption through filter material, the layer thickness of which is of the order of millimeters, and
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impurities with continuous dispersion is achieved by regulating the ratio of the speeds of the filter material and the liquid flowing along the filter material.